激光研究内部

研究和开发基于激光的核聚变,以提供气候友好型能源

精确定位,高效实验

核聚变被视为解决未来能源问题的一种可能的远见卓识--清洁且风险相对较低。在这一过程中,小原子核在极高的温度和压力下发生融合,而不是像传统核电站反应堆那样发生分裂。类似的过程发生在恒星中,因此也发生在太阳中。这样可以产生巨大的能量,而且不会释放二氧化碳。利用核聚变以气候中立的方式产生大量能源的想法被认为是人类的梦想。然而,核聚变在技术上要求极高,实现核聚变不仅需要巨额投资,还需要雄心勃勃的研究和开发。Marvel Fusion GmbH 是一家位于慕尼黑的初创公司,它正在追寻这个梦想,目的是建造第一座商业上可行的核聚变发电厂。这家高科技公司开发了一种基于激光的新方法,可以生产不含二氧化碳的清洁安全电力。随着计划在科罗拉多州建造一个技术演示器,原型机的研究已进入决定性阶段。世界上第一个用于研究商业核聚变的定制激光系统将在科罗拉多州立大学的校园里建成。与此同时,慕尼黑和布加勒斯特也在开展基础研究。多达 20 台 IDS 摄像机同时用于监测和控制高真空室中的实验。

"照相机确保我们能够精确地监控用于研究和开发激光核聚变的实验"。

— Caya Momm, Marvel Fusion —

进行实验的高真空室的压力范围为 10^-4 帕斯卡。这种极低的压力远远低于约 10^5 的大气压力,需要使用特殊的真空泵,抽气时间长达 8 小时。因此,高效执行实验至关重要。"卡亚-莫姆(Caya Momm,采购部)补充说:"因此,照相机发挥了至关重要的作用,因为它使我们能够观察实验和控制测量设备。

最终选择了 GigE uEye LE 摄像机系列中的一个型号。摄像机周围有一个专门开发的保护外壳,确保它们能够承受核聚变实验中可能出现的极端条件和强电磁脉冲。这种所谓的 EMP 摄像机盒可保护摄像机电子设备免受高能放电的影响。"凯尔-肯尼(Kyle Kenney)(实验室工程师)确认说:"这种设计保证了我们的最佳功能和可靠性。

穿着防护服的员工在真空室中校准测量设备
对准真空室中的测量设备

但摄像机到底能看到什么呢?

在实验过程中,一些摄像头的位置可以检查镜面反射和激光对准情况。真空室内的其他摄像头监控着我们上层建筑的布置情况。"这是必要的,因为我们从外部控制舱内的电动组件。IDS 摄像头控制测量设备、探测器、传感器和反射镜,"Kyle Kenney 说,"每个激光实验最多使用 20 台 IDS 摄像头。相机使用的主要方面也相应地多种多样:

  • 对准光学器件:摄像头可确保后视镜的正确定位。
  • 避免碰撞舱内的全景摄像机可确保实时监控,避免与机动上层建筑发生碰撞。
  • 显微镜聚焦:另一组照相机精确地对准我们激光器的目标,实现精确的激光目标捕捉。
  • 与激光脉冲同步:摄像头必须与激光脉冲同步,以确保数据准确无误。

所有的任务都由单个相机型号完成:Marvel Fusion 选择了单板 GigE 摄像机 UI-5241LE 和 S 型支架。

"IDS 区域销售经理 Markus Schickner 解释说:"我们的项目相机节省空间,分辨率高、速度快、体积小,足以解决所有这些任务。GigE uEye LE 的尺寸为 45 x 45 毫米,结构紧凑,非常适合像本项目这样的客户特定嵌入式项目。它可以精确地集成到 EMP 外壳中,千兆以太网接口的电缆长度可达 100 米。之所以推荐这款相机型号,还因为它采用了 e2v 的 1/1.8 英寸 CMOS 传感器,分辨率为 130 万像素(1280 x 1024),帧频为 50 fps。选择型号的其他决定性因素还包括特殊功能(如与激光脉冲同步的触发器)和价格。因为 uEye LE 只保留了最基本的功能,所以价格适中。不过,这里的多重集成模式非常灵活,不同的需求不需要不同的专用摄像机。这大大简化了实验中多达 20 台摄像机的操作。

穿着防护服的员工校准用于测量离子的汤姆逊抛物线
校准用于测量离子的汤姆逊抛物线

"卡亚-莫姆(Caya Momm)说:"这些相机的设计目的是在我们的激光实验中高效工作。"它们还能直接、连续地实时传输激光实验结果。她补充说:"这在一定程度上消除了进入真空室的需要。相机盒采用坚固的密封设计,防止颗粒外泄,有效保护真空室不受污染,从而确保安全。

采集到的图像信息通过开源软件框架 Tango Controls 进行进一步处理,IDS 摄像机可通过 GigE Vision 标准接口快速、轻松地集成到该框架中。Tango Controls 可对分布式系统中的设备进行控制和监测,专为需要复杂设备集成和控制的科学设施和实验室而开发。因此,IDS 摄像机以及集成到系统中的其他设备都可以通过网络进行单独控制。同时,Tango 还支持基于事件的通信,允许在实验过程中对实验装置和视觉系统做出必要的实时反应和调整。在 Tango Controls 的帮助下,摄像机提供的实时图像可立即得到处理和传输。"结果非常令人满意,因为激光的位置被精确定位。Oscar Juina(电气工程师)说:"通过图像处理,我们可以利用线性驱动器精确确定或重新调整光学器件的位置。

一人检查激光系统
检查激光系统

应用前景

"Marvel Fusion 的采购员 Caya Momm 解释说:"这种质量的专门设计的带 EMP 外壳的相机通常很难找到,而且价格昂贵。"IDS 摄像机的适应性和可用性对我们很有价值。由于我们目前正在集中进行有时间限制的研究实验,因此所需的数量仍然很少。不过,随着计划扩大到更大规模的聚变实验以及未来的聚变发电厂,这种情况在未来可能会发生变化"。据该公司称,世界上最强大的短脉冲激光系统将于 2026 年在科罗拉多州建成,第一批商业发电厂将于 2030 年代中期建成,该公司希望到 2045 年能够为能源供应做出重大贡献。

"IDS 摄像机的适应性和可用性对我们很有价值"。

— Caya Momm, Marvel Fusion —

激光核聚变的进展及其作为创新能源的潜力具有重要意义。它们有可能大大减少全球能源供应的二氧化碳足迹。

成像准确:Marvel Fusion GmbH

Marvel Fusion GmbH

Marvel Fusion 标志

总部位于慕尼黑的 Marvel Fusion 公司成立于 2019 年,是安全、清洁和可靠能源发电领域的技术先驱。为了解决人类最大的问题之一,这家高科技公司正在开发一种全新的核聚变能源技术,这种技术大大提高了核聚变的概率,并以激光和纳米科学的最新进展为基础。

uEye LE

使用的型号:UI-5241LE-MB